CN107923378A

CN107923378A - 往复式压缩机排气活塞

Info

Publication number: CN107923378A
Application number: CN201680049509.2A
Authority: CN
Inventors: P.J.弗拉尼根
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 2015-08-26
Filing date: 2016-08-19
Publication date: 2018-04-17
Also published as: EP3341610A1; WO2017034983A1; US20180238312A1

Abstract

本发明公开了一种压缩机(20)，所述压缩机包括：壳体(22)；以及至少一个活塞(40)，所述至少一个活塞被安装用于进行往复移动，每个活塞位于所述壳体的相应气缸(42)中。所述至少一个活塞具有周边表面(50)和上表面(52)，所述上表面具有外部部分(54)和从所述上表面延伸的突出部(80)。所述至少一个活塞具有通道(220)，所述通道被安置成使流从所述外部部分之上的区域流过。

Description

往复式压缩机排气活塞

相关申请的交叉引用

要求提交于2015年8月26日且标题为“Reciprocating Compressor VentedPiston(往复式压缩机排气活塞)”的美国专利申请第62/210,108号的权益，该申请的公开内容以引用的方式全文并入本文，如同在此全部列出。

发明背景

本公开涉及往复式压缩机。更具体地，本公开涉及活塞。

在某些应用(诸如制冷)中已长期使用了往复式压缩机。一种新进配置涉及活塞，活塞的上表面具有突出物，在上死点处，突出物突出到气缸体的上面之上以有助于完全地填充阀板内的容积，从而实现压缩流体的更完全的排出。

发明概要

本公开的一个方面涉及一种压缩机，所述压缩机包括：壳体；以及至少一个活塞，所述至少一个活塞被安装用于进行往复移动，每个活塞位于所述壳体的相应气缸中。所述至少一个活塞具有周边表面和上表面，所述上表面具有外部部分和从所述上表面延伸的突出部。所述至少一个活塞具有通道，所述通道被安置成使流从所述外部部分之上的区域流过。

在前述实施方案中的任一者的一个或多个实施方案中，所述通道是闭合通道。

在前述实施方案中的任一者的一个或多个实施方案中，所述突出部具有上端和在所述上端中的中心凹部，并且所述通道在所述凹部处具有上端。

在前述实施方案中的任一者的一个或多个实施方案中，所述通道具有沿着所述突出部的一侧的下端。

在前述实施方案中的任一者的一个或多个实施方案中，所述通道是围绕所述至少一个活塞周向地分布的多个相似通道中的一者。

在前述实施方案中任一项所述的一个或多个实施方案中，所述压缩机包括：电机；曲轴，所述曲轴由所述电机驱动；以及至少一个连杆，所述至少一个连杆将所述曲轴联接到所述至少一个活塞。

在前述实施方案中任一项所述的一个或多个实施方案中，所述突出部具有截头锥形外侧表面。

在前述实施方案中任一项所述的一个或多个实施方案中，所述通道包括钻孔。

在前述实施方案中任一项所述的一个或多个实施方案中，所述至少一个活塞包括多个相同活塞。

在前述实施方案中任一项所述的一个或多个实施方案中：所述气缸形成在气缸体中；阀板组件被安装到所述气缸体；并且所述至少一个活塞具有上死点状况，其中所述突出部至少部分地在所述阀板组件内。

在前述实施方案中任一项所述的一个或多个实施方案中：所述阀板组件具有阀座，所述阀座形成抽吸阀的落座表面；并且在所述上死点状况下，所述突出部被部分地接纳在所述阀座内。

在前述实施方案中任一项所述的一个或多个实施方案中：所述阀座形成排放阀的外部落座表面；所述阀板组件具有内部阀座，所述内部阀座形成所述排放阀的内部落座表面；所述至少一个活塞在所述突出部中具有凹部；并且在所述上死点状况下，所述内部阀座被部分地接纳在所述凹部内。

在前述实施方案中任一项所述的一个或多个实施方案中，一种用于制造压缩机的方法包括：进行钻孔以形成所述通道。

在前述实施方案中任一项所述的一个或多个实施方案中，一种用于使用压缩机的方法包括：使所述活塞在所述气缸中往复，在所述往复的向上部分期间，流体流在所述通道中向上移动。

在前述实施方案中任一项所述的一个或多个实施方案中，所述流体流来自与抽吸阀相邻、朝向排放阀的区域。

在前述实施方案中任一项所述的一个或多个实施方案中，一种蒸气压缩系统包括压缩机。

在前述实施方案中任一项所述的一个或多个实施方案中，所述蒸气压缩系统是制冷系统。

一个或多个实施方案的细节在随附附图和以下描述中阐明。其它特征、目标和优点将从本说明书和附图、以及从权利要求中清楚。

附图简述

图1是压缩机的纵横截面图。

图1A是图1的压缩机的最前面的两个气缸的放大图。

图1B是图1的压缩机的最前面的一个气缸的一部分的放大图。

图2是图1的压缩机的活塞的隔离图。

图3是压缩机的单个气缸的分解剖切图。

各个附图中的相似参考标记指示相似要素。

详细描述

图1示出了压缩机20。压缩机具有壳体或外壳组件22，壳体或外壳组件包括入口或抽吸端口24和出口或排放端口26。示例性压缩机包括电机28，电机包括定子32和转子30。转子30与曲轴34整合以驱动曲轴围绕轴线500旋转。曲轴由多个轴承支撑以围绕轴线500旋转。压缩机是往复式压缩机，具有多个活塞40，这些活塞被安装用于在限定在壳体的气缸体44内的相应相关气缸42中进行往复移动。示例性气缸经由被活塞承载的肘销46和将肘销联接到曲轴的连杆48而联接到曲轴。

每个活塞具有外侧表面或侧表面或外径(OD)表面50(图1A)和上表面或顶表面52。图1A示出了在上死点(TDC)位置上的最前面的一个活塞。在TDC位置上，上表面52的外侧部分54与气缸体44的上表面60近似齐平。阀板组件70安装在表面60顶上(垫圈62介于中间)并且支承与相应气缸相关联的阀组件72。如下文进一步讨论，阀组件72各自包括形成入口或抽吸阀的部分和形成排放或出口阀的部分。气缸盖74安装在阀板组件(垫圈75介于中间)顶上并且封闭与排放端口26连通的排放气室76。

图1A进一步示出了包括向上的突出部80(具有外侧表面或侧表面或外径(OD)表面82和上端或远端84)的活塞，在由最前面的一个活塞示出的上死点状况或位置下，向上的突出部突出到阀板组件70中。这有助于最小化在上死点状况下的顶部空间来实现经提高的总体流量。

示例性阀板组件70包括被间隔件分开的底板90和顶板92。间隔件可包括周边板94，周边板匹配阀板组件的周边，以便封闭气室96。附加的间隔件98可以分布在气室内。如下文进一步讨论，气室96是与抽吸端口24连通的抽吸气室。例如，利用壳体组件的电机壳体区段中的抽吸端口24，抽吸气室96可经由浇铸在壳体组件中的通路(未示出)与电机壳体的内部连通。

抽吸阀包括柔性阀元件120(图1B)，柔性阀组件安装在阀板组件70与气缸体44之间，在每个气缸42的周边处。阀元件120被形成为具有下表面122和上表面124的片材。在每个气缸处，阀元件具有由内周(内径(ID))表面126限定的中心孔隙。在闭合状况下，与内周边126相邻的上表面124落座在落座表面130(ID阀座)上。示例性落座表面130是阀座132的下表面，阀座的上表面形成排放阀阀座表面，如下文进一步讨论。阀座的内径(ID)表面134在上死点状况下紧密地容纳突出部80的OD表面82。OD落座表面可由底板90的下侧的一部分形成

示例性抽吸阀元件一般是圆形的，但是具有落座在曲轴箱上承部上以用于支撑的180°分开的两个突片135(图5)和用作为止动件的两个较小突片136。

示例性阀座132包括安装到上部板92(例如，经由压入配合、钎焊等)的上部部分和以相靠的方式通过气室96并通过底板90中的相关孔隙140的下部部分。在操作中，当活塞从其上死点状况撤出时，减压/抽吸导致阀元件120的挠曲，在中间弯曲(像U字)，并且通过两个突片135支撑在缸膛的边缘处，并且因突片136与气缸中的凹部的互补相关表面的协作而停止。此向下弯曲使元件与ID和OD落座表面脱离以允许将制冷剂从抽吸气室96经由端口148(孔隙140在阀座132的下部部分的外径(OD)表面的径向外侧的环形周边部分)吸入气缸中。在活塞的触地和反向后，阀元件120挠曲回到其闭合或密封状况来接合落座表面以闭合端口148。

排放阀可类似地包括具有打开状况和闭合状况的阀元件150(图1B)。示例性阀元件150是具有下表面152、上表面154、内径(ID)周边表面156和外径(OD)周边表面158的弹簧加载的环状物。用于阀的示例性阀座包括内径(ID)座和外径(OD)阀座。外径阀座由阀座132的上部落座表面160形成。示例性ID阀座由内部阀座构件166的外径周边表面164形成。构件166在中心紧固到阀导向件170，而阀导向件又安装在上部板92顶上。一个或多个弹簧180(例如，保持在导向件中的套座182中的周向金属螺旋弹簧阵列(例如，每一气缸三个至二十个这样的弹簧和套座组合、或八个至十六个，其中示出示例性十二个)可以将阀元件152偏置到其闭合状况下。

在活塞朝向其上死点状况向上移动时，最终，顶部空间中的压力将超过排气室中的压力。此时(或之后因排放阀的偏置)，排放阀元件150将从其闭合状况朝向打开状况转变来允许制冷剂从顶部空间进入排放气室中。当活塞到达上死点时，排放阀将重新闭合。

利用此示例性排放阀配置，活塞突出部80包括中心凹部200(图1A)，在活塞接近上死点以便使顶部空间最小化时，中心凹部接纳并且容纳排放阀内部阀座构件166。

在活塞接近上死点时，向上驱动在上表面52的外侧部分54之上的小的空间中的气体。在基线系统中，在突出部80的外侧表面82与阀座132的相邻ID表面134之间向上驱动此制冷剂。空间的紧密性可导致流动阻力而降低压缩机效率。因此，图1A向基线活塞配置添加了通道220。通道从下端224延伸到上端226。下端可大体上形成入口端口(入口)，并且上端226可大体上形成出口端口(出口)，以便在活塞朝向上死点状况的向上移动的那个最后阶段期间使流流过。示例性下端224沿着突出部外侧表面82；而示例性上端226则沿着凹部200。示例性通道220是与仅仅打开的通道或沟槽不同的闭合通道(例如，它们具有完整外侧周边)。因此，示例性通道220可通过向铸造活塞中钻挖而形成。示例性通道组是周向地围绕活塞和气缸轴线502均匀地分布的。示例性配置具有四个此类通道220(图3)。更广泛的范围是1至10个或2至8个。

在向上移动的后期阶段期间，通道下端224将在抽吸阀元件上方与活塞向上表面外侧部分52下方之间暴露。活塞进一步向上的移动将倾向于通过通道220向上驱动某些气体离开上端/出口226并且从那里排出到排放阀外。对原型的测试表明在基线压缩机的额定条件下的效率的约1％的提高。实施方案可以被配置成使容量略增加(或可能略减少)，这取决于实现方式。

每个孔洞的示例性尺寸涉及0.5mm的直径和4.9mm²的横截面积。通道的示例性总横截面积(例如，示例性活塞的孔洞横截面积的四倍)是19.6mm²。

当与缺少孔洞/通道220的在其它方面类似的基线压缩机比较时，孔洞导致5％的TDC余隙容积增加。这原本正常将降低总体性能。虽然如此，存在因流量提高胜过余隙容积增加的影响而产生的观察到的性能提高、以及减少的功率。因此，预期的是，孔洞大小流量益处的回报递减将通过余隙容积增加来克服，并且如果孔洞太大，就会导致性能降低。孔洞大小也可能有下限阈值，其中较小大小因对流过孔洞的流的阻力而无法提供总体益处。

替代的单独孔洞横截面积为至少2.0mm²或2.0mm²至10.0mm²。替代的总横截面积为至少5.0mm²或5.0mm²至50.0mm²。

对基线压缩机的另一修改是向弹簧套座182添加了排气口300(图1B)。在一个示例性修改中，基线弹簧套座是从阀导向件170的下部周边表面部分302向上延伸的盲孔。基线弹簧180的上端落座在盲孔的基部上。示例性修改添加了排气口300作为离开由基线套座的基部表面的周边部分形成的肩部304的较窄通路(诸如具有较小的直径的同轴钻孔)。排气口300因此具有在套座182处的下端310并且具有在阀导向件170的上表面314处的上端312。

可通过添加排气口300来获得若干优点中的一个或多个。排放阀响应性方面可通过允许套座182排气来改进。例如，当阀元件150从其闭合位置被向上驱动时，在阀元件之上的蒸气被驱入套座中或通过外围开口320被侧向地挤出。在蒸气被驱入套座中的情况下，这可能在套座中造成背压来阻止阀元件150的向上移动。在蒸气被朝外侧向外驱动的情况下，这不仅会涉及背压，而且也会导致蒸气与从气缸排出的蒸气竞争。

这些情况中的一个或两个可通过添加排气口来解决。在一些实施方案中，排气口可允许最初在阀元件150之上的蒸气被排出到套座中并且在套座中的蒸气被向外排出。

然而，一些实施方案的另一潜在优点涉及使流从气缸经由套座和排气口而流过。例如，弹簧偏置的性质可以是在活塞的排出冲程的某些部分或全部期间，阀元件150不会到顶并且闭合套座182的下端。在这种情况下，从气缸排放的蒸气的一部分可径向地且轴向地围绕阀元件150的OD周边160流过，并且然后经由套座182和排气口300向内且向上返回。在又一些情况下，可提供通道或其它通路以使得流即使在阀元件顶到止动表面的情况下也可从气缸流过套座和排气口。

与上文关于活塞通道220讨论的修改无关地，对原型的测试表明在额定条件下的容量的约2％的增加和EER的1％的提高。

可对通道220或排气口300做出各种进一步的修改。在一个实例中，所示出的通道220可以被沿着突出部的外围的完全地打开的通道代替或被打开通道和闭合通道的某种形式的混合(诸如沿着突出部外围的下部部分的打开通道过渡到穿透到凹部200中的闭合通道)。另一变型可能涉及用单个波形弹簧替换螺旋弹簧180和套座182的阵列(例如，在环形空间(诸如向下打开的通道)中)。排气口可以从该环形空间向上延伸。

压缩机用于蒸气压缩系统(例如，包括冷却器、空调器、热泵等的制冷系统)。在这个系统中，压缩机可以驱动制冷剂流沿着穿过一个或多个排热热交换器和一个或多个吸热热交换器的再循环流路。基本配置涉及穿过排热热交换器、膨胀装置、吸热热交换器并返回到压缩机的顺序流路。

压缩机可使用其它常规或尚未发展的材料和技术来制造。

在本说明书和随附的权利要求中使用“第一”、“第二”等等仅是为了在权利要求内进行区分，并且并不一定指示相对或绝对重要性或时序。类似地，在一项权利要求中将一个要素标识为“第一”(或类似者)并不排除这个“第一”要素在另一项权利要求中或在本说明书中标识被称为“第二”(或类似者)的要素。

已描述了一个或多个实施方案。虽然如此，将会理解，可以做出各种修改。例如，当被应用于现有基础系统时，这个配置或其相关用途的细节可能影响特定实现方式的细节。因此，其它实施方案在随附权利要求的范围内。

Claims

1.一种压缩机(20)，所述压缩机包括：

壳体(22)；以及

至少一个活塞(40)，所述至少一个活塞被安装用于进行往复移动，每个活塞位于所述壳体的相应气缸(42)中，所述至少一个活塞具有周边表面(50)和上表面(52)，所述上表面具有外部部分(54)和从所述上表面延伸的突出部(80)，

其中所述至少一个活塞具有：

通道(220)，所述通道被安置成使流从所述外部部分之上的区域流过。

2.如权利要求1所述的压缩机，其中：

所述通道是闭合通道。

3.如任一项前述权利要求所述的压缩机，其中：

所述突出部具有上端和在所述上端中的中心凹部(200)；并且

所述通道具有在所述凹部处的上端(226)。

4.如任一项前述权利要求所述的压缩机，其中：

所述通道具有沿着所述突出部的一侧的下端(224)。

5.如任一项前述权利要求所述的压缩机，其中：

所述通道是围绕所述至少一个活塞周向地分布的多个相似通道中的一者。

6.如任一项前述权利要求所述的压缩机，所述压缩机进一步包括：

电机(28)；

曲轴(34)，所述曲轴由所述电机驱动；以及

至少一个连杆(48)，所述至少一个连杆将所述曲轴联接到所述至少一个活塞。

7.如任一项前述权利要求所述的压缩机，其中：

所述突出部具有截头锥形外侧表面(82)。

8.如任一项前述权利要求所述的压缩机，其中：

所述通道包括钻孔。

9.如任一项前述权利要求所述的压缩机，其中：

所述至少一个活塞包括多个相同活塞。

10.如任一项前述权利要求所述的压缩机，其中：

所述气缸形成在气缸体(44)中；

阀板组件(70)被安装到所述气缸体；并且

所述至少一个活塞具有上死点状况，其中所述突出部至少部分地在所述阀板组件内。

11.如权利要求10所述的压缩机，其中：

所述阀板组件具有阀座(132)，所述阀座形成抽吸阀的落座表面(130)；并且

在所述上死点状况下，所述突出部被部分地接纳在所述阀座内。

12.如权利要求10或权利要求11所述的压缩机，其中：

所述阀座形成排放阀的外部落座表面(160)；

所述阀板组件具有内部阀座(166)，所述内部阀座形成所述排放阀的内部落座表面(164)；

所述至少一个活塞在所述突出部中具有凹部(200)；并且

在所述上死点状况下，所述内部阀座被部分地接纳在所述凹部内。

13.一种用于制造如任一项前述权利要求所述的压缩机的方法，所述方法包括：

进行钻孔以形成所述通道。

14.一种用于使用如权利要求1至权利要求12中任一项所述的压缩机的方法，所述方法包括：

使所述至少一个活塞在所述相应气缸中往复，在所述往复的向上部分期间，流体流在所述通道中向上移动。

15.如权利要求14所述的方法，其中：

所述流体流来自与抽吸阀相邻、区域朝向排放阀的区域。

16.一种蒸气压缩系统，所述蒸气压缩系统包括如权利要求1至权利要求12中任一项所述的压缩机。

17.如权利要求16所述的蒸气压缩系统，所述蒸气压缩系统是制冷系统。